DE102008044150A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Abschätzung des Betriebszustandes eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abschätzung des Betriebszustandes eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug, wobei das Kraftfahrzeug ein Turboladersystem mit einer Abgasturbine aufweist und wobei die Abgasturbine über eine Turboladerwelle mit einem im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors angeordneten Verdichter verbunden ist. Dabei wird zur Abschätzung des Betriebszustandes ein verbrennungsbedingter Temperaturanstieg, basierend auf einer Drehzahl der Turboladerwelle, abgeschätzt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abschätzung des Betriebszustandes eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug.
  • Die Erfindung ist in einem Kraftfahrzeug realisierbar, welches ein Turboladersystem mit einer Abgasturbine aufweist, wobei die Abgasturbine über eine Turboladerwelle mit einem im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors angeordneten Verdichter verbunden ist.
  • Im Betrieb eines Kraftfahrzeuges besteht der Bedarf zur Erfassung bestimmter Betriebszustände wie z. B. Fehlzündungen. Hierzu kann der mit einem Verbrennungsvorgang einhergehende Temperaturanstieg verwendet werden, da die pro Zylinder eingespritzte Kraftstoffmasse mit dem verbrennungsbedingten Temperaturanstieg korreliert.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abschätzung des Betriebszustandes eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug bereitzustellen, welches bzw. welche bei verhältnismäßig geringem Aufwand eine aussagekräftige Abschätzung ermöglichen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 bzw. eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der verbrennungsbedingte Temperaturanstieg auf Basis einer Messung der Drehzahl der Turboladerwelle berechnet werden kann.
  • Bei transienter Änderung der Kraftstoffeinspritzung kann anhand der abgeschätzten Drehzahl der Turboladerwelle ein zumindest näherungsweiser Nachweis bestimmter Betriebszustände wie einer Fehlzündung, einem Hochlaufen oder Durchgehen des Verbrennungsmotors (”runaway”) oder eines Drifts in der Kraftstoffeinspritzung erfolgen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird keine Temperaturmessung eingesetzt, wobei in vorteilhafter Weise die zuvor genannten Betriebszustände zyklisch (”cycle by cycle”) nachgewiesen werden können. Ferner kann bei einer transienten Änderung der Kraftstoffeinspritzung ein zumindest grober bzw. näherungsweiser Nachweis der vorstehenden Zustände ohne Notwendigkeit einer Messung des Druckverhältnisses erfolgen.
  • Gemäß einer Ausführungsform erfolgt die Diagnostizierung wenigstens eines der vorstehend genannten Betriebszustände basierend auf dem Wert der ersten zeitlichen Ableitung der Drehzahl der Turboladerwelle und/oder dem Wert der zweiten zeitlichen Ableitung der Drehzahl der Turboladerwelle.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird eine Fehlzündung diagnostiziert, wenn der verbrennungsbedingte Temperaturanstieg in einer Phase, in welcher Kraftstoff eingespritzt wird, Null beträgt.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird ein Durchgehen des Verbrennungsmotors (runaway) diagnostiziert, wenn der verbrennungsbedingte Temperaturanstieg in einer Phase, in welcher kein Kraftstoff eingespritzt wird, von Null verschieden ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird ein Drift der Kraftstoffeinspritzung diagnostiziert, wenn eine Abweichung des Wertes für den verbrennungsbedingten Temperaturanstieg von demjenigen Wert, welcher aufgrund der Korrelation mit der ECU-berechneten, eingespritzten Kraftstoffmasse ermittelt wird, ermittelt wird.
  • Gemäß einer Ausführungsform erfolgt die Abschätzung des verbrennungsbedingten Temperaturanstieges auf Basis wenigstens einer der nachfolgenden Größen: Massenströmungsrate, Druckverhältnis entlang des Verdichters, Druckverhältnis entlang der Turbine.
  • Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Abschätzung des Betriebszustandes eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug, wobei das Kraftfahrzeug ein Turboladersystem mit einer Abgasturbine aufweist, und wobei die Abgasturbine über eine Turboladerwelle mit einem im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors angeordneten Verdichter verbunden ist, wobei die Vorrichtung dazu konfiguriert ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen. Zu bevorzugten Ausgestaltungen der Vorrichtung wird auf die Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Bezug genommen.
  • Weitere Ausgestaltungen sind der Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Die Energiebilanz der Turboladerwelle kann durch folgende Beziehung (1) beschrieben werden: (I/2)·d(N2)/dt = Mf·Cp·TupC·((dTcmb/TupC)·(1 – TdnT/TupT) + (1 – (TdnT/TupT)·(TdnC/TupC)) (1)wobei in Gleichung (1) folgende Variablen verwendet werden:
    • I:
    Trägheitsmoment der Turboladerwelle
    N:
    Drehzahl der Turboladerwelle
    d()/dt:
    erste zeitliche Ableitung
    Mf:
    Massenströmungsrate entlang des Turboladers, näherungsweise bestimmt anhand des gemessenen MAF-Signals
    Cp:
    spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck; Näherungswert für Luft
    TupC:
    Temperatur stromaufwärts des Verdichters
    TdnC:
    Temperatur stromabwärts des Verdichters
    TupT:
    Temperatur stromaufwärts der Turbine
    TdnT:
    Temperatur stromabwärts der Turbine
    dTcmb:
    verbrennungsbedingter Temperaturanstieg, näherungsweise bestimmt für TupT – TdnC
  • Des Weiteren gilt die Beziehung: TdnT/TupT = 1 – EffT·(1 – PrT (g-1)/g) (2)sowie TdnC/TupC = (PrC (g-1)/g – 1)/EffC + 1 (3)wobei in den Gleichungen (2) und (3) folgende Variablen verwendet werden:
    • PrT:
    Verhältnis des Druckes stromaufwärts der Turbine zum Druck stromabwärts der Turbine
    PrC:
    Verhältnis des Druckes stromabwärts des Verdichters zum Druck stromaufwärts des Verdichters
    g:
    Gaskonstante (Cp/Cv); näherungsweiser Wert für Luft: 1.4
    EffC:
    Wirkungsgrad des Verdichters gemäß Berechnung anhand des Verdichter-Kennfeldes auf Basis von Massenströmungsrate und Wellendrehzahl
    EffT:
    Wirkungsgrad der Turbine gemäß Berechnung anhand des Turbinen-Kennfeldes auf Basis von Massenströmungsrate, Wellendrehzahl und Flügelradposition
  • Während eine Ermittlung/Messung der Drehzahl der Turboladerwelle sowie gegebenenfalls auch der Massenströmungsrate, des Druckverhältnisses entlang des Verdichters sowie des Druckverhältnisses entlang der Turbine schnell bzw. in vergleichsweise kurzer Zeitspanne erfolgen kann, variiert die Temperatur stromaufwärts des Verdichters nur vergleichsweise langsam.
  • Da die pro Zylinder eingespritzte Kraftstoffmasse mit dem abgeschätzten Wert für den verbrennungsbedingten Temperaturanstieg dTcmb korreliert, kann die Abschätzung des verbrennungsbedingten Temperaturanstieges dTcmb dazu verwendet werden, bestimmte, in Tabelle 1 aufgeführte Betriebssituationen nachzuweisen, falls nämlich die jeweils in der zweiten Spalte von Tabelle 1 spezifizierten Bedingungen bzw. Kriterien erfüllt sind: Tabelle 1:
    Situation Kriterium
    Fehlzündung dTcmb = 0, obwohl (nominell) Kraftstoff eingespritzt wird
    Hochlaufen oder Durchgehen des Motors (Runaway) dTcmb ≠ 0, obwohl kein Kraftstoff eingespritzt wird
    Drift in der Kraftstoffeinspritzung Abweichung des Wertes für den verbrennungsbedingten Temperaturanstieg dTcmb von dem Wert, welcher aufgrund der Korrelation mit der ECU-berechneten, eingespritzten Kraftstoffmasse ermittelt wird
  • Während einer Beschleunigungsphase, in welcher die eingespritzte Kraftstoffmenge zunimmt, d. h. die Größe d(dTcmb)/dt einen positiven Wert hat, ergibt sich aus der obigen Beziehung, dass die zweite Ableitung d2(N2)/dt2 ebenso wie die erste zeitliche Ableitung d(N2)/dt einen positiven Wert hat.
  • Hingegen ergibt sich im Falle einer Fehlzündung und für einen positiven Wert der Ableitung d(mfFulnj)/dt, dass die erste Ableitung und die zweite Ableitung entweder Null sind oder sogar einen negativen Wert aufweisen, was auf ein ungewöhnliches bzw. anomales Verhalten hinweist.
  • In einer Verzögerungsphase, während der die eingespritzte Kraftstoffmenge abnimmt, d. h. die Größe d(dTcmb)/dt einen negativen Wert hat, ergibt sich aus der obigen Beziehung, dass die zweite Ableitung d2(N2)/dt2 ebenso wie die erste Ableitung d(N2)/dt einen negativen Wert hat.
  • Hingegen ergibt sich in einer Situation eines Hochlaufens des Verbrennungsmotors (”runaway”) und für einen negativen Wert der Ableitung d(mfFulnj)/dt, dass die erste zeitliche Ableitung d(N2)/dt und die zweite zeitliche Ableitung d2(N2)/dt2 entweder Null betragen oder sogar einen positiven Wert aufweisen, was ebenfalls auf ein ungewöhnliches bzw. anomales Verhalten hinweist.
  • Zusammenfassend wird gemäß der vorliegenden Erfindung der Temperaturanstieg aufgrund eines Verbrennungsvorganges anhand einer Messung der Drehzahl der Turboladerwelle abgeschätzt. Bei transienter Änderung der Kraftstoffeinspritzung kann anhand der abgeschätzten Drehzahl der Turboladerwelle ein zumindest näherungsweiser Nachweis bestimmter Betriebszustände wie Fehlzündung erfolgen.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Abschätzung des Betriebszustandes eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug, wobei das Kraftfahrzeug ein Turboladersystem mit einer Abgasturbine aufweist, und wobei die Abgasturbine über eine Turboladerwelle mit einem im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors angeordneten Verdichter verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abschätzung des Betriebszustandes ein verbrennungsbedingter Temperaturanstieg basierend auf einer Drehzahl der Turboladerwelle abgeschätzt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von dem Ergebnis der Abschätzung des verbrennungsbedingten Temperaturanstieges eine Überprüfung auf das Vorliegen wenigstens einer der nachfolgenden Situationen erfolgt: Fehlzündung, Hochlaufen des Verbrennungsmotors, Drift in der Kraftstoffeinspritzung.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass diese Überprüfung basierend auf dem Wert der ersten zeitlichen Ableitung der Drehzahl der Turboladerwelle und/oder dem Wert der zweiten zeitlichen Ableitung der Drehzahl der Turboladerwelle erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fehlzündung diagnostiziert wird, wenn der verbrennungsbedingte Temperaturanstieg in einer Phase, in welcher Kraftstoff eingespritzt wird, Null beträgt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hochlaufen des Verbrennungsmotors (runaway) diagnostiziert wird, wenn der verbrennungsbedingte Temperaturanstieg in einer Phase, in welcher kein Kraftstoff eingespritzt wird, von Null verschieden ist.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drift in der Kraftstoffeinspritzung diagnostiziert wird, wenn eine Abweichung des Wertes für den verbrennungsbedingten Temperaturanstieg von einem Wert, welcher aufgrund der Korrelation mit der ECU-berechneten, eingespritzten Kraftstoffmasse ermittelt wird, ermittelt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschätzung des verbrennungsbedingten Temperaturanstieges ferner auf Basis wenigstens einer der nachfolgenden Größen erfolgt: Massenströmungsrate, Druckverhältnis entlang des Verdichters, Druckverhältnis entlang der Turbine.
  8. Vorrichtung zur Abschätzung des Betriebszustandes eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug, wobei das Kraftfahrzeug ein Turboladersystem mit einer Abgasturbine aufweist, und wobei die Abgasturbine über eine Turboladerwelle mit einem im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors angeordneten Verdichter verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung dazu konfiguriert ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
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